Введение к работе
Актуальность работы. Проблема энергосбережения является в современном мире весьма актуальной и насущной. Поскольку более 15% потребляемой энергии расходуется на освещение, то поиск новых энергоэффективных источников света является традиционным и проверенным многолетней практикой направлением на пути повышения эффективности использования энергии. Одним из перспективных энергоэффективных источников видимого и ультрафиолетового излучения являются газоразрядные безэлектродные индукционные люминесцентные лампы (БИЛЛ), где источником излучения служит плазма индукционного разряда низкого давления, возбуждаемого высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем, генерируемым ВЧ током индукционной катушки. В современной технологии применяются БИЛЛ с различными схемами возбуждения индукционной плазмы; наиболее распространены лампы трансформаторного типа, использующие для усиления магнитного поля кольцевой магнитопровод, охватывающий замкнутую разрядную трубку. Световые отдачи ламп трансформаторного типа достигают на мощностях 50-200 Вт высоких значений 100 лм/Вт.
В конце прошлого века Поповым О. А. был предложен и экспериментально апробирован новый тип газоразрядной индукционной бесферритной люминесцентной лампы, в которой плазма возбуждается без магнитного услиления высокочастотным (ВЧ) током индуктивной катушки, охватывающей замкнутую разрядную трубку по ее периметру. Бесферритная лампа имеет световую отдачу весьма близкую к световой отдаче лампы трансформаторного типа, но отличается от последней простотой конструкции (отсутствие магнитопровода и его держателя), большей технологичностью и большей надежностью и дешевизной.
Однако экспериментальные исследования индукционных ламп такого типа, зависимостей их электрических, энергетических и световых характеристик от внешних условий (мощности лампы и частоты ВЧ поля) и конструктивных параметров разрядной трубки (ее размеров, состава и давления рабочей смеси) ограничены двумя-тремя работами автора изобретения. И уж совсем не проводились теоретические исследования плазмы индукционного разряда такой лампы, генерирующей видимое и ультрафиолетовое излучение, и ее параметров - напряженности ВЧ электрического поля, плотности плазмы, электронной температуры, плотности разрядного тока и мощности, потребляемой плазмой, а также пространственного распределения параметров плазмы по сечению разрядной трубки. Результаты этих исследований, экспериментальных и теоретических, легли бы в основу базы данных, необходимой для разработки бесферритных индукционных источников излучения (в видимом и УФ диапазоне) и для оптимизации конструктивных параметров разрядной трубки и режимов работы лампы. В этой связи результаты теоретических исследований распределения по сечению разрядной трубки параметров плазмы бесферритной индукционной лампы и влияния на распределение конструктивных параметров трубки, разрядного тока и частоты ВЧ поля имеет не только научную ценность, но и практическую значимость.
Целью настоящей работы является разработка метода расчета параметров и характеристик плазмы низкого давления в бесферритных индукционных лампах, возбужденных ВЧ током индуктивной катушки, размещенной по периметру разрядной трубки.
На защиту выносятся - математическая модель плазмы низкого давления в индукционной бесферритной замкнутой трубчатой лампе;
результаты расчета параметров плазмы и их пространственного распределения, проведенных для различных частот ВЧ поля, мощностей плазмы, давлений инертного газа и диаметра разрядной трубки;
результаты расчета баланса мощности бесферритной индукционной лампы низкого давления, проведенного для различных разрядных токов и частот ВЧ поля.
Научная новизна
впервые была разработана электродинамическая модель для расчета напряженности неоднородного ВЧ электрического поля в плазме индукционной люминесцентной лампы, возбуждаемой током провода, расположенного по периметру разрядной трубки;
впервые получено распределение напряженности ВЧ электрического поля, плотности разрядного тока по сечению разрядной трубки бесферритной индукционной лампы и обнаружено, что неоднородность распределения увеличивается с ростом частоты ВЧ-поля и плотности плазмы;
- впервые для индукционных ламп, возбужденных индуктивной катушкой,
размещенной по периметру разрядной трубки, разработана математическая
модель индукционной плазмы, позволяющая рассчитать концентрацию
электронов на оси разрядной трубки и электронную температуру;
- впервые проведен баланс мощности в плазме низкого давления
индуктивных бесферритных лампах в замкнутых разрядных трубках с
неоднородным по сечению трубки ВЧ электрическим полем.
Практическая значимость результатов
разработанный метод расчета параметров плазмы позволяет для заданной мощности лампы оптимизировать размеры разрядной трубки, давление инертного газа и рабочую частоту;
результаты исследований, проведенных в диссертации, используются для выбора оптимальной конструкции и давления рабочей смеси в
безэлектродных индукционных источниках УФ излучения, разрабатываемых в ООО «СОВВ» (г. Москва);
- материалы диссертации включены в учебное пособие «Индукционные источники света» и в курсы лекций «Источники оптического излучения» и «Расчет и конструирование источников света», читаемых на кафедре «Светотехника» Московского энергетического института. Достоверность полученных в диссертации результатов достигается корректным использованием математического аппарата и современных данных об электрокинетических параметрах ртутной плазмы низкого давления. Данные расчетов параметров плазмы, проведенные в рамках предложенной в диссертации математической модели, находятся в хорошем согласии с расчетами, проведенными в рамках трансформаторной модели индукционного разряда. Апробация работы
Результаты работы докладывались на Пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, Москва (2009). Публикации
Основные результаты диссертации представлены в 7 научных работах, из которых 4 - в издании, рекомендованном ВАК РФ. Личный вклад соискателя
Автором предложена математическая модель индукционной плазмы низкого давления и методика расчета ее параметров; проведены расчеты параметров плазмы, обобщение результатов и дана их интерпретация. Объем и структура работы
Диссертация состоит из списка обозначений и сокращений, введения, трех глав, одна из которых посвящена литературному обзору, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 120 страниц, включая 50 рисунков. Список используемой литературы изложен на 5 страницах и содержит 65 наименований.
